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Cell | 废料中的宝藏!肠道菌群将橙皮纤维转化为活性代谢物N-甲基-5-羟色胺!

 MITOMMY 2022-08-08 发表于上海
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食品生产和加工过程中,不可避免地会产生“废料”,比如果皮中的植物纤维,含有丰富的益生元物质包括多酚和可溶性膳食纤维等非消化性碳水化合物。这些纤维可以经过肠道菌群发酵代谢为具有生物活性的产物。美国圣路易斯华盛顿大学Jeffrey Gordon团队从肠道菌群降解柑橘纤维的物质中,鉴定出一种未被充分研究的物质N-甲基-5-羟色胺(N-Me-5HT),并分析了该物质对机体生理的影响,以及特定肠菌生成N-Me-5HT的可能机制,相关成果发表于《Cell》

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无菌小鼠模型揭示人类肠道菌将柑橘纤维代谢为N-Me-5HT

选择一种商业食品级柑橘纤维(orange fiber,OF),它来源于榨汁过程中产生的副产品。为了达到实验目的,实验采用的OF没有经过化学处理或提取蛋白质、脂质和小分子都会保留其中。将含有和不含有OF的饮食喂食给定植14种人类肠道菌的无菌小鼠和无定植无菌小鼠21天,通过基于质谱的代谢组学技术分析盲肠内容物代谢物,经标准品比对鉴定OF组独有N-Me-5HT(图1)。

为了确定是哪种酶将N-Me-5HT从柑橘纤维中释放出来的,研究人员将柑橘纤维与13种糖苷水解酶共同孵育,发现只有里氏木霉菌(Trichoderma reesei)的纤维素酶能够产生最大量的N-Me-5HT。将里氏木霉菌纤维素酶制剂添加到133种不同的可食用植物样品,发现只有3个样本检测到N-Me-5HT,而这三个样本都属于芸香科花椒属,而芸香科包含柑橘类水果。体外实验以及体内实验(柑橘纤维与豌豆纤维)结果表明N-Me-5HT主要存在于柑橘类纤维中。

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【图1】

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N-Me-5HT对宿主存在多种生理影响

给与C57BL/6J无菌小鼠补充N-Me-5HT(低剂量1 mg/kg/day , 高剂量50 mg/kg/day,21天),观察干预后宿主的生理和代谢变化(图2A)。结果表明,高剂量N-Me-5HT能够降低体重和附睾脂肪量(图2B和C),并且影响小鼠的肝糖原代谢(图2D-F)。除此之外,肝脏中716个基因表达发生显著变化,这些基因与昼夜节律和脂肪酸代谢有关。结肠中748个基因表达发生显著变化,也与昼夜节律有关。昼夜节律相关的基因在协调结肠运动的肠肌丛中存在表达,进而发现N-Me-5HT可以缩短肠道转运时间(图2H)。

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【图2】

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生成N-Me-5HT的相关菌种

将14个菌种分别在TYG培养基中进行单独培养,浓度为105,加入10 mL 5mg/mL OF培养8h、24h、48h、72h和168h。其中Bacteroides ovatusParabacteroides distasonis在72小时产生的N-Me-5HT最多(图1C)。

根据体外实验结果,从14种细菌中筛出4种产生N-Me-5HT的细菌(B. ovatus, P. distasonis, B. finegoldii, C. aerofaciens)进行体内实验。分别设置4种菌联合定植、14种菌联合定植、10种菌联合定植(4种菌除外),结果证明4种菌联合定植小鼠粪便中N-Me-5HT显著高于10种菌联合定植小鼠。体重、附睾脂肪、肠道转运时间方面,4种菌联合定植小鼠表现与口服N-Me-5HT小鼠表现更为接近(图3C-G)。

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【图3】

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生成N-Me-5HT的相关基因

通过培养实验,比较B. ovatus TSDC 17.2与其他卵形拟杆菌菌株产生N-Me-5HT的能力,确定了不同菌株之间的代谢差异。另外,这种代谢能力还取决于培养基所使用的生长介质,数据证明这些菌株从柑橘纤维中代谢生成N-Me-5HT需要培养基中含有血红素。对12株B. ovatus进行基因组和功能基因组分析,筛选出133个基因(图4C)。这些基因涉及多个多糖利用位点(PULs),这些PULs编码的蛋白质(SusC和SusD同系物)参与各种糖链结构的结合和导入,以及催化其降解的碳水化合物活性酶(CAZymes) (GHs和PLs)。

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【图4】

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临床上N-Me-5HT与肠道微生物组的CAZyme基因丰度相关

通过双胞胎对照干预实验,比较柑橘纤维和豌豆纤维干预后受试者粪便中N-Me-5HT水平差异。结果表明,食用柑橘纤维的98%受试者粪便中都检出N-Me-5HT,且其含量与每天食用的柑橘纤维量明显相关。相比之下,食用豌豆纤维受试者的粪便样本中,87%检测不到N-Me-5HT。但在食用柑橘纤维或豌豆纤维后,卵形拟杆菌的相对丰度和任何细菌类群在粪便微生物群中的相对丰度与第5周末的N-Me-5HT水平不存在统计学上的显著相关,而与CAZyme存在显著相关性。其中N-Me-5HT与PL9(鼠李半乳糖醛酸聚糖裂解酶)正相关最强(图5B),其次是GH5_37,据报道它对β-葡聚糖/纤维素具有特异性。这些临床研究结果显示,粪便中N-Me-5HT含量具有柑橘纤维特异性和剂量依赖性,其浓度与编码CAZymes的微生物组基因丰度呈正相关。

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【图5】

小结

鉴于食品生产过程中产生的副产品越来越多,如何更好地利用这些“废料”是很重要的。这项研究采用定植了人类肠道微生物的无菌小鼠,通过体内体外试验,证明N-Me-5HT由肠道菌群中的特定菌种对特定纤维进行代谢生成,从而对宿主产生表型影响。

参考文献

Microbial liberation of N-methylserotonin from orange fiber in gnotobiotic mice and humans. Cell. 2022.

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